馬麗 崔小琴

【摘要】針對傳統(tǒng)化工計算課程中對理想氣體熱容和真實氣體熱容的估算繁瑣費時問題，結(jié)合教材實例，利用現(xiàn)代化工模擬軟件 PROII 對一定溫度、壓力下的氣態(tài)有機物理想氣體熱容和真實氣體熱容進行估算。結(jié)果表明：化工模擬軟件PROII 能夠快捷準確地實現(xiàn)傳統(tǒng)化工計算中熱容的估算，可以明顯提高教學成效。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代化工計算 熱容 估算

【基金項目】本文受青海大學課程建設(shè)2017ZYHXKC08項目資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）03-0225-02

一、引言

《化工計算》課程是中高等化工類專業(yè)學習的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要由化工常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、化工過程參數(shù)、物料衡算、熱量衡算和物能聯(lián)算等內(nèi)容構(gòu)成，其中常用熱力學數(shù)據(jù)熱容的估算對正確地求解熱量衡算是至關(guān)重要的一步，也是化工計算授課的核心之一。然而教材中這部分內(nèi)容對應的例題都是通過人工計算，涉及查表、查圖、公式計算等步驟聯(lián)合，求解過程費時耗力，老師講得煞費精力，學生也覺得枯燥乏味，求解費時。因此，有必要探索將傳統(tǒng)教學與現(xiàn)代化的設(shè)計工具教學相結(jié)合，進行聯(lián)合講述，達到既能夠重視基礎(chǔ)理論知識的理解，又能夠靈活使用計算機模擬工具的雙重目的。本文則主要是結(jié)合青海大學化學工程與工藝專業(yè)本科教學使用的《化工計算》教材中基本物性數(shù)據(jù)熱容估算的相關(guān)例題，運用化工模擬軟件ProII進行估算，以期達到激發(fā)學生學習化工計算的興趣、提高計算效率和拓展化工計算專業(yè)素養(yǎng)的目的。[1-3]

二、教材實例分析

（一）熱容估算的基本理論

熱容是重要的熱力學物性數(shù)據(jù)之一，表示的物理意義是：物體在某一過程中，每升高（或降低）單位溫度時從外界吸收（或放出）的熱量。同物質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)及傳遞熱量的過程有關(guān)系，是非狀態(tài)函數(shù)。本文主要是針對如何估算氣相的理想氣體熱容和真實氣體熱容展開，理想氣體的熱容估算主要有Joback法、C-G法、Benson 法和 Rihani？鄄Doraiswamy 法。[4]其中 Rihani？鄄Doraiswamy基團貢獻法是氣態(tài)有機物理想氣體熱容估算一種簡便、準確度高的方法，被引入教材中使用，這種方法將有機物分解成若干基團，將基團對化合物熱容的貢獻值加和起來代入公式（1-1）實現(xiàn)理想氣體熱容的估算。

（二）手動估算與計算機估算比較

（1）估算800K時氣態(tài) 3-甲基噻吩的理想氣體熱容

① 傳統(tǒng)教學方法

采用Rihani-Doraiswamy 基團貢獻法估算法主要分為四步。

第一步：正確寫出有機物3-甲基噻吩的化學分子結(jié)構(gòu)式

第二步：將3-甲基噻吩的分子分解成4個基團為：

和

第三步：在理想氣體熱容的基團貢獻值表中查出各基團對化合物熱容的貢獻值并進行加和計算。

第四步：將加和計算的結(jié)果代入式（1-1）得到式（1-2）。

Cpo=0.0987+9.3034×10-2T+（-0.4851×10-4）T2 +0.006621×10-6T3 （1-2）

第五步：將T=800K代入（1-2）式得到氣態(tài)3-甲基噻吩的理想氣體熱容估算值為196.10J/（mol﹒K），并與實驗值Cp0=192.25J/（mol﹒K） 進行比較，得出估算誤差。

②利用PROII模擬軟件進行估算

在PROII軟件中針對上例進行估算的方法主要分為六步輸入。

第一步：啟動PROII軟件，新建文件。

第二步：規(guī)定單位制。

第三步：Componet Selection 中加入組分3MTH10。

第四步：Thermodynamic Data 中選擇 SRK 方程。

第五步：輸入流股信息后，運行。

第六步：查看流股 Chemi？鄄cal Report，如圖1所示，Cp=1.9597KJ/（kg﹒K）=192.38J/（mol﹒K）。

（2）估算真實氣體 400K，50atm 乙烷蒸氣熱容 Cp。

① 傳統(tǒng)估算方法

當氣體處于 400K，50atm 下，應當考慮壓力對熱容的影響，也就是說要考慮氣體偏離理想狀態(tài)時熱容的校正值。采用傳統(tǒng)手工計算法主要分為四步。

第一步：查手冊得到C2H6的Tc=305.4K，Pc=48.2atm

第二步：計算

Tr= = =1.310，Pr= = =1.04

第三步：查普遍化熱容差圖，Tr=1.310，Pr=1.04時，熱容校正值ΔCp=12.55kJ/（kmol﹒K）

第四步：查手冊附表C2H6的理想氣體熱容

Cp0 =1.648+4.124×10-2T-1.530×10-5T2 +1.740×10-9T3 cal/（mol·K）

第五步：將T=400K代入第四步中的Cp0，計算Cp0=66.15kJ/（kmol﹒K）

第六步：估算400K，50atm乙烷蒸氣熱容

Cp=Cp0+ΔCp=66.15+12.55=78.70kJ/（kmol﹒K）

②利用 PROII 模擬軟件進行估算

PROII軟件中針對上例進行估算的方法如下。

第一步：啟動PROII軟件，新建文件。

第二步：規(guī)定單位制。

第三步：Componet Selection加入組分C2H5。

第四步：Thermodynamic Data選擇SRK方程。

第五步：輸入流股信息后，運行。

第六步：查看流股 Chemical Report，如截圖2所示，Cp=2.5798kJ/（kg﹒K）=77.57J/（mol﹒K） 。

（三）不同方法估算結(jié)果比較

（1）Rihani-Doraiswa-my基團貢獻法人工估算800K 時氣態(tài)3-甲基噻吩的理想氣體熱容值為 196.10J/（mol﹒K），與實驗值CP0=192.25J/（mol﹒K）比較，相對誤差為2.0%。采用PROII 模擬軟件估算的結(jié)果是Cp=192.38J/（mol.K），與實驗值比較，相對誤差為0.068%。

（2）真實氣體熱容的估算中，手算400K，50atm乙烷蒸氣的熱容 Cp=78.70kJ/（kmol﹒K），而采用PROII模 擬軟件估算的結(jié)果：

Cp=2.5798kJ/（kg﹒K）=77.57J/（mol﹒K）。

三、結(jié)語

化工物性數(shù)據(jù)是化學研發(fā)和化工生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)人工估算數(shù)據(jù)獲取的途徑需要查閱相關(guān)專業(yè)手冊，并借助估算公式來實現(xiàn)，整個過程費時耗力，并有可以出現(xiàn)計算和查估方面的誤差。本文結(jié)合教材中的實例嘗試教學改革，在向?qū)W生講述估算基本理論的同時，向?qū)W生引入現(xiàn)代化化工設(shè)計模擬軟件PROII在化工基本物性熱力學數(shù)據(jù)熱容估算方面的使用，將手工估算與計算機估算兩者形成對比，最大的特點是：針對教材上的兩個實例，軟件 PROII 在獲取熱容數(shù)據(jù)時沒有涉及有機物分子基團的拆分和查圖等的繁瑣過程，且估算結(jié)果更接近實驗值。整個對比學習的過程旨在讓學生意識到建立扎實理論知識根基的重要性和培養(yǎng)駕馭現(xiàn)代化化工模擬工具快捷高效解決化工問題的能力。

參考文獻：

[1]劉世達，王海燕，楊秀娜.PROII 流程模擬軟件在溶劑油分離中的應用[J].石油化工高等學校學報，2012（6）：18-20.

[2]曹俊雅，王光耀，朱凱.等.Aspen Plus 在化工設(shè)計中的應用實踐與探索[J].新課程研究：高等教育，2012，08：93-94.

[3]李士雨，齊向娟.采用CHEMCAD 軟件強化“化工分離過程”課程教學[J].化學工業(yè)與工程，2005，22（增刊）：60-61.

[4]馬沛生.化工數(shù)據(jù)教程[M].天津：天津大學出版社，2008.

[5]葛婉華，陳鳴德.化工計算[M].北京：化學工業(yè)出版社，1990.

作者簡介：

馬麗，女，化學工程與工藝專業(yè)，本科在讀。

崔小琴，女，職稱：副教授，主要從事化學工程與工藝專業(yè)教學工作。